5. Телекамеры в системах видеонаблюдения
Самый первый и наиболее важный элемент системы видеонаблюдения — это элемент, формирующий изображение, то есть телекамера.
Термин «камера» произошел от латинского camera obscura, что означает «темная комната».
В средние века такие комнаты использовали художники. Затемненная комната кубической формы с выпуклой линзой с одной стороны и экраном, на который проецировалось изображение с другой, использовалась художниками для формирования изображений и последующей их зарисовки.
В XIX веке под «камерой» понимали устройство записи изображений на пленку или другой светочувствительный материал. Она состояла из светозащищенной коробки, объектива, через который проходил и фокусировался свет, затвора, контролировавшего продолжительность раскрытия объектива, и диафрагмы, регулировавшей количество проходящего через стекло света.
В 1826 г. Иозеф Найсфор Нипс (Joseph Рис. 5.1 Nicephore Niepce) получил первое негативное изображение на пленке. Так зародилась фотография.
Вначале фотографические камеры не сильно отличались от концепции камеры-обскуры. Они представляли собой черную коробку с объективом впереди и фотопластинкой сзади. Начальная установка изображения и фокусировка делались на основе перевернутой «вверх ногами» проекции, которую фотограф мог видеть, только прикрывшись черной накидкой.
Первая коммерческая фотокамера была снабжена механизмом ручной подачи пленки и видоискателем (или окуляром), который давал приблизительный обзор, видимый объективом.
Сегодня мы используем термин «камера» в киносъемке, фотографии, телевидении и мультимедиа. Камера проецирует изображение на различные мишени, но во всех камерах используется свет и объективы (В русском языке большое разнообразие значений слова «камера» — фотокамера, кинокамера, видеокамера, тюремная камера, воздушная камера, футбольная камера, газовая камера, камера хранения, велосипедная камера и т. д. Разумно для устройств, применяемых в видеонаблюдении использовать термин «телекамера». Прим. ред.).
Чтобы понять, что же такое система видеонаблюдения, необязательно быть экспертом по телекамерам и знатоком оптики, но если вы понимаете основы, то это вам здорово поможет.
Многое тут аналогично фотографии, а поскольку каждый из нас когда-либо пробовал свои силы в семейной фотографии, то нам нетрудно будет провести аналогии между видеонаблюдением и фотографией или домашним видео.
В фотографии и кинокамерах происходит преобразование оптической информации (изображений) в отпечатки на химической эмульсии (пленке). В телевизионных камерах происходит преобразование оптической информации в электрический сигнал. Во всех случаях используются объективы с определенным фокусным расстоянием и углом обзора, различными для различных форматов.
Объективам свойственны ограниченная разрешающая способность и наличие искажений (или аберраций), и особенно это заметно в пленочных камерах. Это происходит потому, что разрешение пленки все еще гораздо выше, чем разрешение электронных камер, хотя с каждым днем появляются все новые и новые ПЗС-матрицы более высокого разрешения.
Для примера, используемые в видеонаблюдении ПЗС-матрицы высокого разрешения содержат 752 х 582 пикселов (элементов изображения), а цветная негативная 35-мм пленка в 100 ISO имеет разрешение, эквивалентное 8000 х 6000 элементов (эмульсионных зерен пленки). Типичное разрешение пленки — 120 линий на мм.
В 1997 г. на рынке появился еще один тип камер. Такие камеры используются вместе с компьютерами в видеоконференциях и для хранения цифровых изображений. В этих камерах в качестве фотоприемника используется ПЗС-матрица — вместо аналогового электрического сигнала или проекции изображения на пленку камера преобразует изображение в цифровой формат и записывает его на микродиск или RAM-карту, с которых изображение легко перенести в компьютер. Большинство таких камер дают статические кадры, но появляются и камеры, дающие видеосигнал в цифровом формате в реальном режиме времени.
Рис. 5.2. Одна из ранних телевизионных камер (1931 г.)
Первые эксперименты с телевизионными камерами состоялись в 1930-х и были проведены инженером русского происхождения Владимиром Зворыкиным (Zworykin) (1889–1982). Его первая камера, созданная в 1931 г., фокусировала изображение на мозаику из фотоэлементов. Напряжение в каждом элементе было мерой интенсивности света в каждой точке и могло быть преобразовано в электрический сигнал.
Эта концепция, не считая небольших модификаций, осталась неизменной в течение десятков лет.
Первые камеры изготовлялись из стеклянных трубок и светочувствительного люминофорного покрытия на внутренней поверхности стекла. Сегодня мы называем их передающими трубками.
Рис. 5.3. Студийная телевизионная камера с передающей трубкой (1952 г.)
Работают передающие трубки по принципу фоточувствительности, основанному на фотоэффекте. Свет, проецируемый на люминофорный слой трубки (называемый мишенью) обладает энергией, достаточной, чтобы вызвать выбивание электронов из кристаллической решетки люминофора.
Число выбиваемых электронов пропорционально свету, и таким образом формируется электрическое представление световой проекции.
При появлении видеонаблюдения существовало два основных типа трубок: видиконы и ньювиконы.
Видикон был дешевле и менее чувствителен. Так называемый автоматический контроль потенциала мишени эффективно контролировал чувствительность видикона и косвенно выполнял функции электронного затвора, как сегодня мы называем этот процесс в ПЗС-телекамерах. Поэтому видиконы работали только с объективами с ручной установкой диафрагмы. Минимальная освещенность, необходимая для того, чтобы черно-белый видикон сформировал видеосигнал, составляла порядка 5-10 лк, отраженных от объекта, при использовании объектива F/1.4.
Телекамеры типа ньювикон были более чувствительны (до 1 люкса), более дорогие и требовали объективов с автодиафрагмой. Внешне они выглядели так же, как и видиконы, так что на вид их различить было непросто. Только опытный специалист по видеонаблюдению мог заметить небольшие отличия в цветах области мишени: у видикона есть темно-фиолетовая составляющая, а у ньювикона — темно-синяя. Два типа телекамер управляются различной электроникой, а телекамеры типа ньювикон снабжены разъемом автодиафрагмы.
Рис. 5.4. Принцип работы передающей трубки
Работа всех передающих трубок основывается на принципе сканирования электронным лучом мишени внутри трубки под действием электромагнитного поля. Луч отклоняется электромагнитным полем, генерируемым электронной системой камеры. Чем больше света достигает светочувствительного слоя мишени, тем ниже ее сопротивление в этом месте. При проецировании изображения, благодаря фотоэффекту, формируется потенциальный рельеф. Когда анализирующий электронный луч сканирует фоточувствительный слой, он нейтрализует положительные заряды, так что по локальным сопротивлениям протекает ток. Когда электронный луч попадает в конкретную часть потенциального рельефа, электрический ток теряет заряд пропорционально количеству света. Этот очень слабый ток — порядка пикоампер (1 пА = 1012 А) — подается на видеоусилитель с очень высоким входным сопротивлением, который и формирует напряжение видеосигнала. В трубке должен быть тонкий и однородный фотослой — это очень важно. Этот слой порождает так называемый теневой ток, который существует даже тогда, когда объектив не проецирует изображение (диафрагма закрыта).